CN112130104A - 一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒 - Google Patents

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唐德港
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Abstract

本发明涉及一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒，包括外壳，外壳包括外壳体、内壳体和顶盖，外壳体和内壳体均为圆筒状，内壳体同轴设置在外壳体中，内壳体一端的端口与外壳体一端的端口之间通过环片一体化连接，外壳体内壁和内壳体外壁之间形成环状放置空腔，环状放置空腔一端为封闭端，另一端为开口端，环柱状的高介电常数陶瓷设置在环状放置空腔中，顶盖盖设在环状放置空腔的开口端。本发明可应用于超高场小动物磁共振成像，可提高小样品的图像信噪比，并且解决了高介电常数材料带来的射频场不均匀性的问题。这种结构制作方便，便于实验操作，而且对图像质量改善效果明显。

Description

一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒。
背景技术
在生物医学领域，由于磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)优越的空间分辨率及其对软组织出色的灵敏度和区分度等特点，已经成为医学临床检测的一个重要诊断工具。超高场MRI提高了核磁共振的灵敏度，提供了更高的时空分辨率，其发展和临床应用越来越广泛。研究表明，在磁共振成像区域的周围填充高介电常数材料(Highpermittivity material，HPM)可以改变射频场分布，可以通过HPM来改善MRI图像质量。
由于超高场动物MRI的特点，适用于动物MRI的HPM结构与人体MRI相比具有以下几点不同：
1.长度不同。由于要覆盖目标组织区域，人体MRI采用的高介电常数衬垫长度较大。而动物MRI的线圈内可操作空间有限，只能采用较短的HPM结构。
2.厚度不同。人体MRI采用的高介电常数衬垫厚度在10～15mm，而动物MRI内的HPM结构由于空间有限只能采用较小的厚度，同时厚度过大会使线圈和HPM结构的距离太近，寄生电容不可忽略，导致线圈损耗增大，品质因数Q降低。
3.几何形状不同。人体MRI采用的高介电常数衬垫多为方形，置于目标组织区域附近来改变射频场分布。对于动物MRI而言，改善射频场分布的区域需要覆盖整个动物躯干。方形衬垫虽然可以提高附近区域的发射效率，但是其提升效果在靠近衬垫区域最为明显，距离越远，效果越差，这会严重影响射频场的均匀性。因此方形HPM结构并不适用于动物MRI。
4.HPM结构材料不同。人体MRI采用的高介电常数衬垫大多采用钛酸钡粉末和水的均匀混合物制成，衬垫的电导率较高。对于动物MRI而言，在操作空间有限的线圈内放置高电导率的HPM结构，会严重降低线圈的Q值，达不到提高发射效率的目的。
因此，需要开发一种适用于超高场动物MRI中的HPM结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒。本发明制作工艺简单，独立于线圈和样品之外，操作方便，同时对MRI图像质量改善效果明显。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒，包括外壳，外壳包括外壳体、内壳体和顶盖，外壳体和内壳体均为圆筒状，内壳体同轴设置在外壳体中，内壳体一端的端口与外壳体一端的端口之间通过环片一体化连接，外壳体内壁和内壳体外壁之间形成环状放置空腔，环状放置空腔一端为封闭端，另一端为开口端，环柱状的高介电常数陶瓷设置在环状放置空腔中，顶盖盖设在环状放置空腔的开口端。
如上所述的高介电常数陶瓷为钛酸钡陶瓷。
如上所述的顶盖通过玻璃胶或者AB胶密封粘接在环状放置空腔的开口端。
如上所述的外壳体和内壳体的壁厚均为2～3mm，内壳体的内径为17～18mm，环片的厚度为6～10mm；
内壳体和外壳体之间的径向距离为8～10mm，内壳体、外壳体和钛酸钡陶瓷的长度均为140～150mm。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：1.采用圆筒状高介电常数结构，明显改善MRI图像质量，且比起方形高介电常数衬垫，提高了更大区域的发射效率，保证了射频场的均匀性；
2.采用较小的钛酸钡陶瓷的厚度，避免厚度较大导致线圈损耗增大，品质因数Q值降低；
3.采用钛酸钡陶瓷材料，相比起钛酸钡粉末和水的混合物，其电导率和损耗较低，且介电常数更高，跟有效地提高目标区域内的发射效率。
4.高介电常数筒制作工艺简单，且独立于线圈和样品之外，因此便于实验操作。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为高介电常数筒的结构示意图；
图3为顶盖的结构示意图；
图4为外壳的结构示意图，其中，(a)为外壳的径向剖面图，(b)外壳的轴向剖面图；
图5为三维电磁仿真软件模拟的单位输入功率下的鸟笼线圈横断面的发射场分布示意图；其中，(a)为三维电磁仿真软件模拟的单位输入功率下无钛酸钡陶瓷时鸟笼线圈横断面的发射场分布示意图，(b)为三维电磁仿真软件模拟的单位输入功率下有半圆筒状钛酸钡陶瓷时鸟笼线圈横断面的发射场分布示意图，(c)为三维电磁仿真软件模拟的单位输入功率下有圆筒状钛酸钡陶瓷时鸟笼线圈横断面的发射场分布示意图；(d)为发射场的强度示意图；
图中，1-高介电常数筒，11-外壳，12-钛酸钡陶瓷，111-外壳体，112-顶盖，113-样品放置空腔；114-环片；115-环状放置空腔；116-内壳体，D-陶瓷厚度，R-壳体内径，T-壳体壁厚，W-底座厚度，L-陶瓷长度。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒，适用于7T小鼠磁共振成像，包括高介电常数筒1，高介电常数筒1包括钛酸钡陶瓷12和外壳11。外壳11包括外壳体111、内壳体116和顶盖112，外壳体111和内壳体116均为圆筒状，内壳体116同轴设置在外壳体111中，内壳体116一端的端口与外壳体111一端的端口之间通过环片114一体化连接，外壳体111内壁和内壳体116外壁之间形成环状放置空腔115，环状放置空腔115一端为封闭端，另一端为开口端，环柱状的钛酸钡陶瓷12设置在环状放置空腔115中，顶盖112盖设在环状放置空腔115的开口端，使得环状放置空腔115结构密封，内壳体116的中心为样品放置空腔113。构成高介电常数筒1。小样品置于样品放置空腔113内，可以提高样品区域的发射效率。
外壳体111和内壳体116均为圆筒状，外壳体111、内壳体116和环片114形成环状放置空腔115，环状放置空腔115一端为封闭端，另一端为开口端，环状放置空腔115用来容纳钛酸钡陶瓷12，内壳体116中心为样品放置空腔113供扫描床进出。
将环柱状的钛酸钡陶瓷12放入环状放置空腔115内，盖上顶盖112，顶盖112用于密封环状放置空腔115，盖上顶盖112后可以在连接处用玻璃胶或者AB胶密封，防止顶盖112脱落以及钛酸钡陶瓷12与外界接触变潮湿从而影响其电导率。
本实施例中，选用钛酸钡陶瓷12作为高介电常数陶瓷，采用固相烧结法制备而成，钛酸钡陶瓷12的钛和钡摩尔比为1.02:1，钛酸钡陶瓷12为环柱状。
外壳体111和内壳体116的壁厚T均为2～3mm，内壳体116的内径R为17～18mm，环片114的厚度W为6～10mm。
内壳体116和外壳体111之间的径向距离D为10mm，内壳体116、外壳体111和钛酸钡陶瓷12的长度L均为140～150mm。
通过计算机模拟来演示本发明的功效，使用高频结构电磁场仿真软件HFSS进行电磁仿真，模拟了7T主磁场下鸟笼线圈的发射场分布。以直径16mm、长80mm的圆柱形水模作为水模负载，发射线圈是直径92mm、长75mm的单通道质子鸟笼线圈，发射线圈的外部屏蔽层直径114mm、长300mm，通过电容将线圈谐振频率调至300.3MHz，有钛酸钡陶瓷12时将钛酸钡陶瓷12置于水模负载和单通道质子鸟笼线圈之间且紧贴水模负载，钛酸钡陶瓷介电常数和电导率分别为500、0.1S/m，钛酸钡陶瓷12的厚度为10mm。图5(a)、(b)和(c)分别表示水模负载外部无钛酸钡陶瓷、有半圆筒状钛酸钡陶瓷和有圆筒状钛酸钡陶瓷时的情况下，三维电磁仿真软件模拟的鸟笼线圈横断面的发射场分布，发射场均归一化到1W的端口输入功率、由于操作空间有限，采用半圆筒状钛酸钡陶瓷来近似模拟方形衬垫，结果显示，采用半圆筒状钛酸钡陶瓷时在靠近陶瓷处附近发射场强度明显提高，但是随着到钛酸钡陶瓷距离的增大，提升效果越来越差，严重降低了水模负载内的发射场均匀性。而使用本发明实施例的高介电常数筒后线圈发射场强度明显提高，且均匀度基本不变。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒，包括外壳(11)，其特征在于，外壳(11)包括外壳体(111)、内壳体(116)和顶盖(112)，外壳体(111)和内壳体(116)均为圆筒状，内壳体(116)同轴设置在外壳体(111)中，内壳体(116)一端的端口与外壳体(111)一端的端口之间通过环片(114)一体化连接，外壳体(111)内壁和内壳体(116)外壁之间形成环状放置空腔(115)，环状放置空腔(115)一端为封闭端，另一端为开口端，环柱状的高介电常数陶瓷设置在环状放置空腔(115)中，顶盖(112)盖设在环状放置空腔(115)的开口端，高介电常数陶瓷为钛酸钡陶瓷(12)，顶盖(112)通过玻璃胶或者AB胶密封粘接在环状放置空腔(115)的开口端。
2.根据权利要求1所述的一种用于超高场动物磁共振成像的高介电常数筒，其特征在于，所述的外壳体(111)和内壳体(116)的壁厚均为2～3mm，内壳体(116)的内径为17～18mm，环片(114)的厚度为6～10mm；
内壳体(116)和外壳体(111)之间的径向距离为8～10mm，内壳体(116)、外壳体(111)和钛酸钡陶瓷(12)的长度均为140～150mm。
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